本發(fā)明涉及功率半導體模塊。功率半導體模塊是使用在功率電子電路中的半導體組件組。功率半導體模塊通常用于車輛、太陽能以及工業(yè)應用中，如逆變器和整流器。包含在功率半導體模塊中的半導體組件通常是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)-半導體芯片或者MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)-半導體芯片。IGBT-和MOSFET-半導體芯片具有變化的額定電壓和功率。一些功率半導體模塊在半導體封裝中還具有用于過壓保護的額外的半導體二極管(即，續(xù)流二極管)

對于高功率應用，功率半導體模塊通常具有集成在單一襯底上的多個半導體組件。襯底通常包括絕緣陶瓷襯底，如Al₂O₃,AlN,Si₃N₄或其他適合的材料，以將半導體組件電絕緣。至少陶瓷襯底的上側(cè)或者通過純的或者通過電鍍的Cu，Al或其他適合的材料而被金屬涂覆，以為半導體組件提供電和機械的接觸。金屬層通常借助直接敷銅法(DCB)、直接敷鋁法(DAB)或者活躍金屬焊接法(AMB)而被鍵合到陶瓷襯底。

為了保護半導體組件，通常將半導體組件放置在由塑料制成的電絕緣殼體中，其例如被構(gòu)造成圓頂形的并倒置在半導體組件及其襯底之上，以通過金屬的、襯底支撐的、用于導熱的安裝部封閉設置在冷卻體處的電路板，使得半導體組件被布置在圓頂形殼體限定的空腔體積中。嘗試實現(xiàn)殼體的密封構(gòu)造。

其中的問題在于電連接元件，其必須通過殼體的通孔而被導出，因為其具有布置在殼體外側(cè)用于電接觸以及(如果適用)同時的機械固定的接觸部段。連接元件通常被構(gòu)造成金屬成型件。連接元件在另一端與布置在模塊中的半導體組件和/或襯底的接觸面導電連接，例如通過插頭接觸或彈簧接觸，或者通過焊接。

為了保護布置在模塊中的半導體組件中，以及為了確保足夠的電 絕緣，部件(尤其是半導體組件)通過軟灌封膠(例如，硅凝膠，屬于冷硫化的雙組份硅彈性體的組)被覆蓋在殼體中并由此被保護。為此，在制造工藝的最后將模塊例如利用硅凝膠填充。然而，濕氣或腐蝕性氣體可能進入殼體中，盡管有硅凝膠，但濕氣或腐蝕性氣體仍可能前進至半導體組件并與半導體組件或在半導體組件處引起不希望的化學反應。

為了氣密密封，可以在殼體中引用例如附加的環(huán)氧樹脂層，其包圍硅凝膠并將位于底部的元件密封。

在公開文本DE 10 2008 045 721 A1和DE 10 2011 056 848 A1中通過如下方式解決了濕氣進入殼體的問題，即在為電連接元件提供的通孔中提供附加的密封裝置。伴隨著這些為電連接元件提供的通孔，用于氣密密封的這些通孔也存在問題，這些通孔在模塊安裝中被提供，例如這些通孔通常出現(xiàn)在利用硅凝膠灌注模塊內(nèi)部的情況。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種功率半導體模塊，其中使得功率電子部件有效地免受濕氣的有害影響并具有相對較低的生產(chǎn)成本，同時避免了上面提及的隔離失效的問題。這一目的通過根據(jù)權利要求1的功率半導體模塊實現(xiàn)。同樣有利的組裝方法是從屬的方法權利要求的主題。應當意識到，在權利要求中單獨列出的特征可以以任意技術上有意義的方式彼此進行組合并形成本發(fā)明另外的實施例。說明書附加地尤其與附圖結(jié)合地示出本發(fā)明的特征并描述本發(fā)明。

本發(fā)明涉及功率半導體模塊，以下簡稱為模塊。該本發(fā)明的模塊具有導熱地固定到冷卻體的襯底，例如，絕緣陶瓷襯底，例如，Al₂O₃,AlN,Si₃N₄。

優(yōu)選地，模塊包括金屬板，其設置有用于安裝到冷卻體的平坦表面。金屬板另外具有例如一個或多個用于螺絲固定到冷卻體的通孔。例如，上面所述的陶瓷襯底是金屬涂覆的并且與金屬板焊接的。

功率半導體模塊具有至少一個布置在襯底上的半導體組件。這例 如涉及半導體開關，如IGBT、MOSFET、或二極管、或其組合。優(yōu)選地設置有多個半導體組件，例如兩個或三個半導體組件。

根據(jù)本發(fā)明，模塊具有至少一個與半導體組件導電連接的連接元件。根據(jù)本發(fā)明，連接元件具有接觸部段。優(yōu)選地，接觸部段被構(gòu)造為以便焊接在電路板焊盤中。例如，該連接部段是金屬成型件，例如，基本上由銅制成。接觸部段例如被構(gòu)造為銷狀。

接觸部段的概念是廣義解釋的，并總體上涉及用于在至少一個半導體組件與在下面解釋的殼體的外側(cè)之間提供電流和/或功率的電導體。根據(jù)半導體組件的功能性設計，連接部段涉及負載連接元件或控制連接元件，其中，通常但并不是必須地，根據(jù)電流負載來表示(impliziert)所涉及的連接元件的不同的結(jié)構(gòu)設計。

優(yōu)選地，控制連接元件的概念表示，所涉及的控制連接元件與已有的負載連接元件的不同之處至少在于具有較小的導電截面。

根據(jù)本發(fā)明，設置有襯底以及至少一個半導體組件至少部分地、優(yōu)選全部設置在其中的電隔離殼體。本發(fā)明的“電隔離”的含義為殼體的材料成分具有特定的大于10¹⁰Ω·cm的電阻。優(yōu)選地，材料還具有大于1kV/mm、更為優(yōu)選地大于10kV/mm的介電強度。優(yōu)選地，材料具有較低的吸水性。例如，殼體材料涉及熱塑料，優(yōu)選地玻璃纖維加強的熱塑料。

根據(jù)本發(fā)明，殼體具有至少一個用于連接元件的通孔。優(yōu)選地，通孔設置在殼體的上側(cè)，其中殼體的上側(cè)是指，與為了相鄰的裝置的、在冷卻體處預定的模塊側(cè)相對的一側(cè)。這里，“上側(cè)”并不應限制性地理解為在模塊的預期用途的情況下殼體的上側(cè)在重力場中必須是向上的，而是根據(jù)本發(fā)明可以任意定向。例如，設置有具有圓形或者狹縫形截面的通孔。例如，通孔具有套筒形延伸部，其伸入到通過殼體限定的空腔體積中，即，殼體的內(nèi)部。

根據(jù)本發(fā)明，至少一個連接元件被布置成貫穿通孔。其可以形狀配合地容納在通孔中。優(yōu)選地，在連接元件和通孔的壁之間存在間隙。優(yōu)選地，間隙小于0.25mm，更為優(yōu)選地小于0.15mm。

根據(jù)本發(fā)明，在殼體的外側(cè)上設置有與殼體外側(cè)相鄰且包圍連接元件的層，該層由與殼體材料相比可塑性或彈性形變材料制成。其優(yōu)選地至少適用于被設計用于半導體組件的操作的一定的溫度范圍，例如，適用于-10℃到150℃的溫度。

塑性或彈性可形變性的差異例如分別根據(jù)DIN EN ISO 868,DIN ISO 7619-1或ASTM D2240來確定。

例如，層的材料涉及熱塑料，如聚酯，聚甲醛，聚乙烯，聚丙烯，聚酰胺，聚對苯二甲酸丁二醇酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚碳酸酯，苯乙烯-丙烯腈共聚物，聚苯醚，或它們的組合。

例如，殼體的材料同樣涉及熱塑料，優(yōu)選地由玻璃纖維加強的熱塑料制成。與殼體的熱塑料相比，這一具有更強塑性或彈性可形變性的層例如由對特定熱塑料和/或有關相應增塑劑含量的差異(即，有關玻璃纖維比例)的選擇所導致。

例如，在層材料方面涉及彈性體，如天然橡膠，丙烯腈-丁二烯橡膠，苯乙烯-丁二烯橡膠，氯丁橡膠，丁二烯橡膠或EPDM橡膠或它們的組合。

優(yōu)選地，在層材料方面涉及具有小于65、更優(yōu)選地小于60、最優(yōu)選地小于55，例如50的邵氏A硬度的彈性體或硅氧烷。

根據(jù)本發(fā)明，其中接觸部段布置為使得其超出層和殼體側(cè)面，以使得能夠例如與位于外部，也即殼體外側(cè)的導線電接觸。

本發(fā)明中的圍繞的布置的含義表示，將本發(fā)明的實施例實現(xiàn)為，使得層圍繞連接元件接觸，并且完全覆蓋過渡件以及在通孔和連接元件之間的可能存在間隙。通過這一覆蓋，優(yōu)選地實現(xiàn)密封或者(如果存在)對現(xiàn)有密封件的支持。

與殼體材料相比可塑性或彈性形變的層由此用作殼體的外部覆蓋，根據(jù)本發(fā)明，連接元件被布置為伸出該層。由此，形成(如果存在)附加的外部屏障，其阻止?jié)駳饣蛴泻怏w進入到殼體內(nèi)部，也即模塊內(nèi)部。例如，以這樣的方式阻止了在由硅凝膠作為軟封裝材料填 充的模塊的情況下濕氣的進入，這是基于該材料的相對良好的可浸潤性導致了濕氣的飽和與擴散直到半導體組件，并由此對其造成損害。與殼體相比，該殼體外側(cè)上的層由此用作外部有害氣體或濕氣屏障。

優(yōu)選地，圍繞通孔的殼體外側(cè)的表面被構(gòu)造為平的，以便布置在電路板的旁邊。

更為優(yōu)選地，在殼體的外部區(qū)域中設置有敞開(frei)的、在第一通孔旁邊的并且形狀一致的另一平行的通孔，其被層覆蓋。概念“敞開的”表示未填充的通孔。例如，其涉及在功率半導體模塊制造過程中使用的、作為用于軟灌封膠材料的填充開口的通孔。由此，除了在殼體中出于生產(chǎn)技術需要而設置的通孔以外，根據(jù)本發(fā)明，該軟層以有效地或以制造經(jīng)濟的方式附加地用作密封。

優(yōu)選地，在殼體中設置多個形狀一致的、平行的通孔，其隨后通常被布置成規(guī)則的網(wǎng)格。這種殼體提供了在同時滿足連接元件的高的布置靈活性的情況下的滿足通用性的優(yōu)勢，而不需要殼體的相應的具體設計和制造。由此，通過本公開的層解決了相關聯(lián)的密封問題，其中優(yōu)選地將層設計成使得其被布置成覆蓋所有形狀一致的通孔。

例如，層被施加到殼體外側(cè)作為枕部(Kissen)。

例如，該層承受熱收縮步驟和沖壓步驟，使得接觸部段刺穿該層。

優(yōu)選地，該層的成分具有至少一種硅氧烷，如聚硅氧烷，例如，至少環(huán)狀的、直鏈、支鏈和/或交聯(lián)的聚硅氧烷。

優(yōu)選地，該層的成分具有至少一種聚酰亞胺，例如，聚琥珀酰亞胺(PSI)，聚雙馬來酰亞胺(PBMI)，聚苯并咪唑(PBI)，聚二咪唑(PBO)，聚酰亞胺砜(PISO)和/或聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)，優(yōu)選地，聚(4,4'-氧二亞苯基-均苯四酸)，如目前以商品名“Kapton”由E.I.du Pont de Nemours and Company出售的聚(4,4'-氧二亞苯基-均苯四酸)。

優(yōu)選的，該層的成分至少具有一個或多個聚合物。

優(yōu)選地，該層由非導電材料制成。作為非導電材料，考慮具有大于10¹⁰Ω·cm的具體電阻的材料。優(yōu)選地，這樣選擇層的材料，以使 得其落入根據(jù)DIN EN 60664-1(VDE 0110-1)的絕緣物的等級中，其中與IEC60112對應的相對電痕指數(shù)(Prüfzahl der Kriechwegbildung)在測試體上在應用規(guī)范確定的解決方案A下被確定。相對電痕指數(shù)CTI>600將材料根據(jù)爬電特性分級到具有爬電電導率的材料。

層例如通過形狀或力配合與殼體外側(cè)連接。優(yōu)選地，層通過粘合劑被附著到殼體外側(cè)和/或連接元件處。

為了提高在施加中的定位精確性以及為了其保持性，層被容納在殼體外側(cè)的凹陷中。

本發(fā)明還涉及一種裝置，其包括前面所述的實施例中的功率半導體模塊以及電路板，也稱作板(Platine)，其中電路板至少具有導線，其與接觸部段導電地連接。由塑性或彈性可形變的材料制成的層優(yōu)選地位于電路板和殼體外側(cè)之間，并且與二者相鄰地布置。例如，電路板平行地、距離殼體外側(cè)通孔圍繞的區(qū)域而被布置。優(yōu)選地，接觸部段與導線焊接。例如，接觸部段被布置成使得其貫穿電路板的焊盤并與焊盤焊接。例如，該層完全填充電路板和相鄰的殼體外側(cè)區(qū)域之間形成的空腔區(qū)域。

本發(fā)明還涉及一種利用下面步驟制造功率半導體模型的方法。在準備步驟中，功率半導體模塊被提供以如下特征。該模塊具有導熱地固定到冷卻體的襯底。布置在所述襯底上的至少一個半導體組件。此外，至少一個導電地與所述半導體組件連接的具有接觸部段的連接元件。模塊具有電絕緣的殼體，其中至少部分地容納有襯底和至少一個半導體組件。至少一個連接元件被布置成分別貫穿在殼體中的通孔并且利用其接觸部段超出所述殼體外側(cè)。針對特定特征，如電絕緣，參考前述說明書。

本發(fā)明的方法提供了時間上隨后的施加步驟，其中在殼體外側(cè)上施加有與所述殼體外側(cè)鄰接并且圍繞所述連接元件的層，該層由與殼體材料相比可塑性或彈性形變的材料制成。該層被施加，以使得接觸部段超出所述層而布置。

例如通過將連接元件刺穿該層地布置，與殼體材料相比可塑料或 彈性形變的層用于殼體的外部密封。由此產(chǎn)生(如果存在)附加的、外部屏障，其阻止?jié)駳饣蛴泻怏w進入到模塊內(nèi)部。例如，以這樣的方式阻止在由硅凝膠作為軟封裝材料填充的模塊中濕氣的進入，這是基于該材料的相對良好的可浸潤性導致濕氣的飽和與擴散直到半導體組件，并由此導致對其損害。與殼體相比，該殼體外側(cè)上的層由此用作外部有害氣體或濕氣的屏障。

根據(jù)方法的優(yōu)選實施例，施加步驟包括層的熱收縮過程和/或?qū)拥臎_壓過程，由此接觸部段分別穿過該層。例如，借助于肘桿沖壓以及直到為接觸部段設置的空腔或孔或者與模塊的殼體外側(cè)互補地構(gòu)造的沖模(Stempel)將該層按壓到模塊上，以便實現(xiàn)使得接觸部段刺穿該層并且(如果適用)由于層材料的可塑性形變性而由該層材料包圍。

在優(yōu)選實施例中，施加以枕部形式的例如由硅氧烷制成的層。該枕部在另一用于利用接觸部段被刺穿指定位置的設計中已經(jīng)被穿孔(vergelocht)。

根據(jù)方法的另外優(yōu)選的實施例，提供由時間上隨后的將半導體模塊利用導線布置在電路板上的步驟，其中層被布置在殼體外側(cè)和電路板之間。在隨后的步驟中，通過焊接來制造接觸部段與電路板之間的導電連接。

附圖說明

本發(fā)明將借助隨后的附圖來詳細說明，在本文中附圖僅為示例性的，以僅用于理解和說明優(yōu)選地實施例。在附圖中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的模塊的側(cè)視圖；

圖2示出圖1的根據(jù)本發(fā)明的模塊的前視圖；

圖3示出圖1的根據(jù)本發(fā)明的模塊以及布置在其上的電路板的側(cè)視圖；

圖4示出圖1的根據(jù)本發(fā)明的模塊的頂視圖；

圖5示出了與模塊的殼體外側(cè)互補地形成的沖模的立體、示意性示意圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的模塊的立體、示意性示意圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的模塊的沖模、層的立體、示意性示意圖。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的模塊1的側(cè)視圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的模塊1的前視圖。用于與模塊的未示出的冷卻體預定的一側(cè)相鄰的布置通過金屬板13來限定。在金屬板13上固定有電絕緣但導熱的陶瓷襯底2。該陶瓷襯底2是兩面金屬涂覆的。陶瓷襯底2的與金屬板相鄰的一側(cè)的金屬涂層設置用于陶瓷襯底2與金屬板13的焊接。在相對的、遠離金屬板的陶瓷側(cè)的金屬涂層上設置有電和/或機械接觸，尤其針對半導體組件3和連接元件7。為簡明起見，在該示意性示意圖中，僅示例性地示出了三個半導體組件3。用于導電連接的在連接元件7與半導體組件3之間設置的鍵合引線18，例如由銅或鋁合金制成，在圖1中示例性地、示意性地示出。為了用于機械保護的電絕緣以及為了保護半導體組件免受濕氣和有害氣體，設置由纖維增強型熱塑料制成的殼體5。

三個連接元件7分別貫穿在電絕緣殼體5中所屬的通孔6，并以此形成接觸部段，其成銷狀超出殼體5的外側(cè)(前面也稱為殼體外側(cè))。通過殼體上側(cè)的通孔6具有圓形橫截面并且分別具有大于銷狀接觸部段4外徑的內(nèi)徑。這樣導致的接觸部段4與電絕緣的殼體5之間的間隙根據(jù)本發(fā)明通過施加在殼體外側(cè)上的層10而被完全覆蓋，與殼體5的纖維增強型熱塑料相比，該層由可彈性形變的材料制成。上述施加在圖5-圖7更具體描述的沖壓步驟中實現(xiàn)。在沖壓步驟穿過之后，如圖1和圖2中示出的銷狀接觸部段4超出層10并由此從外部可自由地接觸。

為了實現(xiàn)電接觸，從外部可自由地接觸的接觸部段4在電路板19的焊盤中焊接并由此與位于電路板19上的導電導線連接。如在圖3中示意性示出的，層10然后在兩邊被相鄰地布置在殼體5的外側(cè)和電路板19之間。

在圖4中示出的模塊的頂視圖中，通孔6,6‘的規(guī)則網(wǎng)格9通過電絕緣殼體5可見。這樣構(gòu)建的電絕緣殼體5可以通用并同時針對模塊的相應具體設計確保連接元件7的高的布置靈活性。在這里示出的實施例中，僅針對連接元件7應用了部分通孔6。在該實施例中的其余通孔6‘對于接口元件7不是必須的并且隨后在該實施例中僅形成不希望的通孔6‘，濕氣和有害氣體可以通過其進入到模塊內(nèi)部。這些不希望的通孔6‘獨立與模塊的具體設計即，獨立與連接元件7的設置而通過本發(fā)明的層10而被完全覆蓋，以使得層10構(gòu)成外部屏障，其阻止?jié)駳夂陀泻怏w進入模塊內(nèi)部。除了通孔6,6‘的規(guī)則的網(wǎng)格9，存在敞開的通孔11，其作為灌封膠材料的填充開口在模塊的制造過程中被應用。

圖6是沖模14的示意性立體圖，沖模與圖6中示出的模塊1的殼體外側(cè)互補地構(gòu)造。沖模14具有互補的孔16的規(guī)則網(wǎng)格以用于容納銷狀接觸部段4?？?,6‘的規(guī)則網(wǎng)格的這一互補的設置使得通孔6,6‘獨立與模塊1的具體設計而被完全覆蓋。為了模塊1在沖壓過程期間可以與沖模14配合地沖壓，存在四個引導元件15，其可以被引導配合到圖5中示出的四個孔17中。

在圖7中可見在沖壓步驟之前沖模14、模塊1以及層10的組合。層10形狀配合地位于沖模上并固定到?jīng)_模上。在沖壓過程中，模塊1完全適配地沖壓到?jīng)_模14上，以使得接觸銷4刺穿層10并嚙合到?jīng)_模的孔16中。